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Científicos en pruebas de laboratorio con el Grafeno
Los investigadores han pasado 25 años explorando las notables propiedades de los fulerenos, nanotubos de carbono y grafeno. Pero comercializarlos no es rápido, ni fácil.
En los cuentos de hadas, el tercer lugar a menudo es el mejor: Normalmente el tercer baúl contiene el tesoro, y el tercer hijo logra fama y fortuna. También puede aplicarse al grafeno, la tercera y más reciente forma descubierta del ‘nuevo carbono’. Los fulerenos1 en forma de balón de fútbol, descubiertos en 1985, y los nanotubos de carbono, cilindros huecos2 caracterizados por primera vez en 1991, hasta ahora han tenido un impacto limitado en la industria. Pero ahora, el grafeno, una lámina plana de carbono de un átomo de grosor, parece verse rodeado por buenos augurios – y no el menor de ellos es el que la velocidad a la que experimentos innovadores sobre sus propiedades fueron recompensados con el Premio Nobel de Física en 2010.
Han pasado apenas seis años desde que los galardonados con el Premio Nobel Andre Geim y Kostya Novoselov, de la Universidad de Manchester en el Reino Unido, informasen por primera vez del uso de una cinta adhesiva para separar atómicamente finas capas de grafeno de cúmulos de grafito3. Pero el material – básicamente un nanotubo desenrollado – ha resultado tener unas propiedades casi milagrosas: una única capa de grafeno es a la vez el material más fino, fuerte y rígido del mundo, así como un excelente conductor tanto del calor como de la electricidad.
El grafeno ha recibido mucha atención de los medios conforme las compañías competían por llevar estos atributos al mercado. El año pasado, el grafeno fue tema de alrededor de 3000 artículos de investigación y más de 400 aplicaciones patentadas. Corea del Sur está planeando invertir 300 millones de dólares para comercializar el material, y compañías como IMB o Samsung está probando electrónica basada en el grafeno – dispositivos ultra-pequeños y ultra-rápidos que podrían algún día reemplazar al chip de silicio. Las exageraciones sobre el grafeno han alcanzado tal punto que un seguidor ocasional podría preguntarse por qué no ha conquistado ya el mundo tecnológico.
La realidad no es ese cuento de hadas. Los antepasados de carbono del grafeno sufrieron durante un tiempo unas exageraciones similares. Los fulerenos aún apenas han encontrado aplicaciones prácticas. Y aunque a los nanotubos les va algo mejor, son costosos de producir y difíciles de controlar. El débil impacto industrial es una lección sobre cómo de difícil puede ser la comercialización de un nuevo material.
Aunque la historia de los nanotubos tiene algunas características esperanzadoras. Las aplicaciones en electrónica de alta tecnología aún están a años vista, pero una aplicación de una tecnología más baja – películas conductoras basadas en nanotubos para almacenamiento de energía o pantallas táctiles — es algo que está mucho más cerca de su comercialización. Otro uso directo, comparativamente – materiales compuestos reforzados con nanotubos para aeroplanos y automóviles – está llegando ya al mercado. Anticipando una creciente demanda, los fabricantes de nanotubos han aumentado su producción a muchos cientos de toneladas por año.
Por la misma razón, los fabricantes de grafeno, siguiendo sus pasos, pueden haber llegado al momento justo de empezar a producir masivamente sus láminas. El grafeno está considerado para los mismos tipos de aplicación que los nanotubos, pero tiene algunas ventajas clave que facilitan su producción y manejo, y deberían beneficiarse de las décadas de investigación en nanotubos. Esta retrospectiva también significa que los fabricantes de grafeno tienen una mejor idea de qué aplicaciones merece la pena perseguir, y cómo evitar las salidas en falso que tuvieron los nanotubos en décadas anteriores.
Un terreno de juego de carbono
Las notables propiedades compartidas por nanotubos y grafeno surgen a partir de una estructura común: Una mezcla atómicamente fina de átomos de carbono ordenados en un patrón de celda de panal. Los increíblemente fuertes enlaces de carbono-carbono producen una proporción excepcionalmente alta de fuerza a peso. Tal es la fuerza del grafeno, por ejemplo, que de acuerdo con el comité del Premio Nobel, una hipotética hamaca de un metro cuadrado de grafeno perfecto podría soportar a un gato de 4 kilos. La hamaca pesaría 0,77 miligramos – menos del peso de un bigote de gato – y sería virtualmente invisible.
La simetría con la que se ordenan los átomos de carbono en la red hexagonal permite que ambas formas de nanocarbono conduzcan la electricidad mucho más fácilmente que el silicio usado en los chips de ordenador. Esto significa que tienen una resistencia eléctrica mucho menor y generan mucho menos calor – una propiedad cada vez más útil conforme los fabricantes de chips intentan empaquetar características cada vez más densamente en los circuitos.
Además, pequeñas variaciones en la estructura del carbono pueden crear una multitud de nuevas propiedades. En el grafeno, por ejemplo, el comportamiento electrónico depende del tamaño de una lámina dada, la presencia o ausencia de defectos en la red de la lámina y si está sobre una superficie conductora o no. En los nanotubos, de la misma forma, una estructura dada puede hacerse que sea semiconductora o metálica simplemente cambiando su diámetro, longitud o ‘giro’ (el ángulo entre las líneas de hexágonos y la dirección del tubo). Y hay algunas diferencias entre los tubos aislados y aquellos en los que se anidan varios cilindros unos dentro de otros – conocidos como nanotubos de pared múltiple.
Estas propiedades han disparado grandes esperanzas de cambio en las aplicaciones electrónicas. Y los investigadores han hecho grandes progresos – en el laboratorio. En 1998, por ejemplo, los físicos mostraron un transistor fabricado a partir de un único nanotubo semiconductor4. Y en 2007, los investigadores informaron de la síntesis de radiotransistores basados en nanotubos de carbono5.
Pero para la producción a escala industrial de tales circuitos, la gran variabilidad de los nanotubos es una maldición. Comúnmente se generan en un reactor, en el cual los catalizadores guían la formación de los tubos a partir de vapor rico en carbono. Esto normalmente deja una maraña de tubos de pared única, pared múltiple, semiconductores y metálicos de varias longitudes y diámetros, todos con diferentes propiedades electrónicas. “La diversidad es algo genial hasta que tienes una población demasiado diversa: entonces se convierte en un verdadero dolor de cabeza”, dice John Rogers, físico-químico de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
Sólo en los últimos cinco años los investigadores han calculado cómo separar los nanotubos en semiconductores y metálicos6. Pero hay más dificultades en ensamblar los nanotubos seleccionados en determinados lugares de un chip y conectar estos tubos separados entre sí sin comprometer el rendimiento, por lo que la mayor parte de los físicos ha llegado a creer que es imposible que los nanotubos de carbono reemplacen al silicio. “Un circuito integrado tendría que implicar miles de millones de transistores de nanotubos de carbono idénticos, todos cambiando exactamente al mismo voltaje”, dice Phaedon Avouris, que trabaja en electrónica a nanoescala en el Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM en Yorktown Heights, Nueva York. Esto no es factible con la tecnología actual.
El grafeno ofrece un caso algo más optimista. Las láminas de mayor calidad actualmente se hacen calentando una oblea de carburo de silicio en un vacío, dejando una capa de grafeno puro encima de la superficie. Este método tiene menos problemas con la variedad incontrolable entre lotes que la síntesis de nanotubos, y las láminas planas resultantes son mayores y más fáciles de manejar que los nanotubos.
Pero el grafeno también tiene problemas. Una única lámina de grafeno conduce la carga tan bien que es difícil detener la corriente, algo que debe resolverse si quiere usarse alguna vez el material para crear dispositivos digitales como transistores, los cuales controlan el flujo de corriente como en los interruptores de encendido-apagado. Para cambiar las propiedades electrónicas de forma adecuada – creando una ‘banda prohibida’, o ruptura en los niveles de energía de los electrones, que esencialmente lo convierten en un semiconductor — la lámina debe cortarse en finas bandas. Esto probablemente es más fácil que intentar colocar miles de millones de nanotubos en un chip, dice Avouris — pero aún no es posible con las tecnologías comerciales.
Estas dificultades de procesado sugieren que el grafeno no desplazará en breve a los chips de silicio. “Ha habido millones de personas/año y billones de dólares gastados en el desarrollo de la electrónica del silicio”, señala James Tour, químico orgánico especializado en nanotecnología en la Universidad de Rice en Houston, Texas. “Pedir al grafeno que compita con el silicio es como pedirle a un niño de 10 años que dé un concierto de piano dado que ha estado dando clases de piano durante los últimos seis años”.
Mientras tanto, las estructuras de nano-carbono pueden ser más competitivas en una electrónica menos exigente, tales como películas planas conductoras para electrodos transparentes en pantallas táctiles o células solares. Paquetes de distintos nanotubos de carbono podrían perfectamente proporcionar suficiente conductividad para tales electrodos, como lo harían láminas de grafeno de menor calidad y más baratas creadas mediante métodos distintos al proceso del carburo de silicio.
Bajando las expectativas
En junio de 2010, por ejemplo, un equipo liderado por Byung Hee Hong de la Universidad de Sungkyunkwan en Suwon, Corea del Sur, informó del uso de vapor rico en carbono para depositar películas de grafeno que miden 75 centímetros de diagonal, sobre placas de cobre, las cuales son luego grabadas y recicladas7. El gigante electrónico surcoreano Samsung ya está poniendo a prueba esta técnica para su uso comercial en pantallas táctiles, lo cual, según las estimaciones de Hong está a 2 o 3 años vista.
La cuestión es si la película de grafeno puede competir con los materiales actuales de pantallas táctiles tales como el óxido de indio dopado con estaño (ITO). Hong es optimista; el coste del ITO se ha incrementado rápidamente, debido a que el indio es escaso. Pero, de nuevo, los nanotubos de carbono ofrecen una historia de advertencia. Al principio, se esperaba que los tubos formasen las pantallas de la televisión del futuro, gracias a su capacidad para emitir electrones desde sus extremos y excitar el fósforo de las pantallas. En la práctica, las pantallas de plasma y cristal líquido han mejorado más rápidamente – y estas pantallas son las que se usan más comúnmente en la actualidad.
Un punto dulce para el nanocarbono puede estar en el emergente mercado de la electrónica flexible. Estos son sensores y pantallas que podrían llevarse en ropa, pegarse en muros o imprimirse en láminas enrollables. Aquí, el único competidor es el de los polímeros orgánicos conductores, debido a que ningún otro material puede imprimirse en plástico. El rendimiento de estos polímeros es bastante bajo, dice Rogers, por lo que los nanotubos y los circuitos de grafeno – que pueden transferirse a sustratos flexibles – podrían competir de forma efectiva.
Pero incluso estas especialidades electrónicas están aún en el futuro. Por ahora, los cientos de toneladas de nanocarbono comercial se convertirán cada año mayormente en materiales compuestos para elementos deportivos, baterías de ión-litio y coches.
El objetivo es dispersar láminas de nanocarbono o tubos dentro de resinas o polímeros, de forma que no sólo hagan que el material sea más duro, sino que cierren las grietas que de otro modo se extenderían, además de ayudar a disipar el calor y la carga eléctrica. Por ejemplo, el coche Audi A4 tiene ahora filtros de combustible de plástico que contienen nanotubos de carbono, los cuales lo protegen contra la electricidad estática. Y los aditivos de nanotubos en los electrodos de las baterías de ión-litio fueron una de las primeras aplicaciones de los nanotubos, vendida por Showa Denko, una compañía de ingeniería química con sede en Tokio.
Recortando costes
El problema básico de procesado con los nanotubos obstaculizó inicialmente su progreso. Tendían a agruparse como cuerdas entrelazadas conforme salían del reactor, haciendo que fuese más difícil dispersar los nanotubos equitativamente a través del plástico o resina. A pesar de las mejoras, esto limita el contenido de nanotubos a un 1-2% del peso final del producto, en comparación con el 20-30 por ciento de la fibra de carbono convencional. El otro problema era, y sigue siendo, el coste. Materiales como el acero, aluminio y los plásticos, y rellenos como el negro de carbón, se venden a apenas dólares o centavos el kilo, dice David Hwang de Lux Research, una compañía de evaluación tecnológica de Nueva York. Mientras tanto, los nanotubos de pared múltiple están a 100 dólares el kilo. El precio está bajando conforme aumenta la producción, pero sólo bajará aproximadamente a 50 dólares el kilo para 2020, de acuerdo con las predicciones de Lux.
El grafeno de calidad de los materiales compuestos tiene el potencial de ser mucho más barato, aunque los costes son actualmente similares. Como demostraron Geim y Novoselov en 2004, pequeñas placas de grafeno de distintos tamaños pueden extraerse fácilmente a partir del grafito3, una materia prima que cuesta apenas unos dólares por kilo. El grafeno también es más fácil de dispersar en una resina que los nanotubos.
Pero aunque esto sea prometedor, dice Steve Hahn, científico senior en el Grupo de Operaciones, Negocio y Desarrollo de Dow Chemical en Midland, Michigan, la realidad es que estas aplicaciones aún son un nicho. “Hemos estado intentando encontrar mercado para el grafeno desde hace un par de años”, dice. Pero normalmente hay algo bastante más barato que hace lo mismo, señala Hahn.
Michael Knox, presidente de XG Sciences, una compañía en ciernes para fabricación de grafeno en East Lansing, Michigan, está de acuerdo. Añadir pequeñas placas de grafeno a los materiales compuestos no es una aplicación transformadora, “es una mejora incremental”, dice. Aunque no es una que tengamos a mano. “Si pudiese demostrar una mejora del 10-20% en un compuesto de polipropileno a un precio razonable, probablemente podría vender millones de toneladas al año – y los fabricantes de coches estarían bastante entusiasmados con eso”, dice Knox.
La dificultad para las jóvenes compañías que fabrican grafeno es encontrar aplicaciones específicas y luego descubrir cómo aumentar la capacidad de producción sin forzarlas demasiado. Vorbeck Materials en Jessup, Maryland, por ejemplo, ha decidido centrarse en crear tintas conductoras basadas en el grafeno. John Lettow, co-fundador y presidente de Vorbeck, dice que las tintas estarán en tarjetas inteligentes y etiquetas de identificación de radiofrecuencia en tiendas de minoristas en el primer cuarto de 2011.
Una aplicación a corto plazo pueden ser los súper-condensadores, que usan láminas arrugadas de grafeno para empaquetar una gran área de superficie en un pequeño espacio — para alamacenar más carga eléctrica por gramo que ningún otro material. Otros investigadores están usando nanocarbono para crear electrodos catalizadores en células de combustible, o incluso para hacer membranas de purificación del agua — pero, como habitualmente, encontrar ventajas claras sobre los materiales existentes tales como el carbono activado, es el problema.
Los nanotubos de carbono tienen una propiedad que no tienen las láminas de grafeno: pueden durar mucho. Los nanotubos que actualmente se mezclan en resinas y plásticos son normalmente muestras cortas, pero Nanocomp Technologies de Concord, New Hampshire, dice que puede hilar largas fibras de nanotubos en hilos o láminas de conductores ligeros que podrían reemplazar a los cables de cobre en algunas aplicaciones. “Hay aproximadamente 100 kilómetros de cobre en un aeroplano”, dice el director ejecutivo de Nanocomp, Peter Antoinette — por lo que reemplazar esto por un cable de nanotubos mucho más ligero podría ahorrar sustancialmente peso y uso de combustible.
Tal actividad es muy prometedora para los nanotubos de carbono, dice Hwang. “Hubo una gran cantidad de investigación sobre lo que tendría que hacerse antes de que los nanotubos fuesen viables comercialmente. Ahora, si miras a cinco años vista, la trayectoria comercial será muy distinta”.
Pero, ¿los nanotubos de carbono han necesitado un tiempo desproporcionadamente grande para lograrlo? Se necesitan 20 años o más para que cualquier nuevo material tenga impacto en la industria, señalan los fabricantes de nanotubos. “La investigación en fibra de carbono empezó en la década de 1950; se necesitaron 15 años antes de que empezaran a usarlo militares y aeroespaciales – no oímos hablar mucho de él hasta mucho después – y no fue hasta mediados de la década de 1970 cuando empezaron a verse aeronaves comerciales con pequeñas cantidades de estructuras creadas de compuestos de fibra de carbono”, dice Brian Wardle, que dirige el consorcio de estructuras aeroespaciales desarrolladas con nanoingeniería en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Cambridge. Los nanotubos pueden simplemente estar en la trayectoria normal desde su descubrimiento a la industria — y el grafeno puede que siga el mismo camino. “El grafeno tendrá su lugar, pero necesitará algo más de tiempo de lo que la gente piensa”, comenta Antoinette.
¿Y qué pasará mientras tanto? “Muchas compañías están trayendo nuevas capacidades a la vez justo ahora”, dice Hahn. “Saldrán del negocio o encontrarán un mercado en algún lugar. Sea lo que sea lo que suceda, será una gran lección para todos nosotros sobre cómo se comercializan los nuevos materiales”.
Referencias:
1. Kroto, H. W. et al. Nature 318, 162-163 (1985).
2. Iijima, S. Nature 354, 56-58 (1991).
3. Novoselov, K. S. et al. Science 306, 666-669 (2004).
4. Tans, S. J. et al. Nature 393, 49-52 (1998).
5. Jensen, K. et al. Nano Lett. 7, 3508-3511 (2007).
6. Arnold, M. S. et al. Nano Lett. 5, 713-718 (2005).
7. Bae, S. et al. Nature Nanotech. 5, 574-578 (2010).
Autor: Richard Van Noorden
Fecha Original: 5 de enero de 2011
Enlace Original: http://www.nature.com/news/2011/110105/full/469014a.html
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